轉錄因子KLF5在惡性腫瘤發生中作用的研究進展

(1.南華大學藥物藥理研究所，湖南 衡陽 421001；2.湖南醫藥學院新型抗體藥物及其智能運輸系統湖南省重點實驗室，湖南 懷化 418000)

1993年人們在黑腹果蠅基因Krüppel中發現其同系物KLF1，隨后陸續證實其有多種同源基因，現稱為Krüppel樣因子家族(Krüppel-like factors, KLFs)[1]。KLF5是KLFs家族中研究較多的成員之一，其蛋白的C末端有三個能與DNA結合的鋅指結構，屬于DNA結合轉錄調節因子家族，具有多種生物學功能。KLF5在人體結腸、食管、皮膚、小腸、胃、膀胱等組織中廣泛表達，在炎癥、腫瘤、肥胖、心血管等生理病理進程中發揮著重要作用。近年來研究發現KLF5與腫瘤的發生發展密切相關，KLF5在不同類型腫瘤中均出現異常表達，且在不同腫瘤中發揮不同的作用。研究者目前正竭力進行KLF5在腫瘤中的作用機制研究，為其成為腫瘤治療的有效靶標提供理論依據。

1 KLF5的分子特性

人源性KLF5基因位于第13號染色體長臂21區1帶，cDNA長達3 350 bp，由4個外顯子和3個內含子組成，基因總長度為18.5 Kb，編碼蛋白由457個氨基酸組成。KLF5蛋白的多個位點能進行相應的結構修飾，圖1為KLF5的遺傳示意圖并包含其主要蛋白修飾位點[1]。KLF5蛋白上有多個位點能發生蘇素化調節KLF5的核定位。同時其蛋白上的磷酸化位點發生磷酸化時可以增強其轉錄激活能力，但磷酸化的KLF5容易被泛素化降解。位于其蛋白324-328位的轉錄激活結構域(Transcription Activation Domain，TAD)有利于KLF5發揮轉錄因子活性。E3泛素連接酶能特異性識別TAD，促進底物的泛素化和降解。乙酰轉移酶p300誘導KLF5的K369位點發生乙酰化修飾，從而誘導KLF5的轉錄活性增加。KLF5蛋白的C末端是一個由81個氨基酸構成的鋅指結構(zinc finger，XZF)，該結構能識別GC堿基豐富的DNA序列，介導XZF與靶基因的DNA結合。XZF發生脫乙酰化，使KLF5更容易被蛋白酶體降解。同時KLF5基因編碼的蛋白質也是一種核轉錄激活因子。在細胞質完成翻譯之后通過核孔進入細胞核，直接與目標基因的啟動子5′端上游特定序列結合，調控基因的表達。因此KLF5可能通過調控不同功能基因的表達而發揮不同的生理作用。KLF5結構的修飾及其對靶基因的調控作用參與了多種病理生理過程，并能特異性地影響腫瘤的發生發展。

圖1 KLF5基因遺傳示意圖

2 KLF5與腫瘤

腫瘤的低治愈率和高復發率是腫瘤患者死亡的主要原因。腫瘤已嚴重威脅人類的健康，如何有效地治療腫瘤已成為一個亟待解決的問題。研究證實多種腫瘤在13q21-22位存在染色體缺失，基因組學分析3.3Mb的基因組區域，發現其中明星分子KLF5與腫瘤發生有關。臨床數據顯示KLF5在多數腫瘤中都有不同比例的基因缺失，進一步提示KLF5在腫瘤發展過程中發揮著重要作用。

2.1 KLF5與乳腺癌

大量臨床和基礎研究均證實KLF5在乳腺癌中的表達水平和患者的生存率呈負相關。在不同類型的乳腺癌細胞中其表達水平有較大差異，KLF5在三陰性乳腺癌(Triple Negative Breast Cancer，TNBC)中特異性高表達，并是維持TNBC干性的關鍵轉錄因子。下調KLF5能抑制腫瘤細胞的干性可用于TNBC的治療。在乳腺癌中多種藥物能夠調控KLF5的表達。降血糖藥物二甲雙胍藥理作用廣泛并在多種腫瘤中都有治療作用[2]。Shi等[3]發現二甲雙胍通過調控糖原合成酶激酶-3β(Glycogen Synthase Kinase-3β，GSK-3β)直接在蛋白的S303位磷酸化KLF5，而磷酸化的KLF5能被E3泛素連接酶泛素化并被26S蛋白酶體降解。二甲雙胍顯著降低TNBC中KLF5蛋白的穩定性并下調其蛋白的表達從而抑制TNBC干細胞。Li等[4]發現KLF5是地塞米松(Dexamethasone，Dex)的誘導基因，Dex能上調KLF5提高TNBC對紫杉醇，多西他賽，多柔比星等化療藥物的耐受性，誘導腫瘤細胞耐藥。另有研究表明KLF5受到MicroRNA的調控，在TNBC中MicroRNA-217能作為一種腫瘤抑制因子下調KLF5以及其下游靶基因成纖維細胞生長因子結合蛋白(Fibroblast growth factor-binding protein, FGF-BP)和cyclinD1的表達，從而抑制TNBC細胞生長、遷移和侵襲[5]。長鏈非編碼RNA也能調控KLF5的表達，Tang等[6]發現長鏈非編碼RNA PVT1通過調控KLF5蛋白的表達進一步促進β-catenin的表達從而促進腫瘤的形成。上述研究提示藥物、MicroRNA和長鏈非編碼RNA都能調控KLF5的表達，KLF5在TNBC中可促進腫瘤形成發揮促腫瘤的作用。但另一方面，KLF5在一些乳腺癌中存在表達缺失的情況并發揮著腫瘤抑制的作用。在ER受體陽性的細胞中發現KLF5與激素及其受體相互調控影響乳腺癌的生長。Guo等[7]發現KLF5能與雌激素受體ERα相互作用，并下調雌激素E2水平調控E2-ER-ERE信號傳導，從而抑制雌激素誘導細胞增殖。此時KLF5所發揮的作用與細胞激素水平或受體狀態有關，也可能與其調控的下游靶蛋白有關。

2.2 KLF5與結腸癌

KLF5屬于腸道富集型Krüppel樣因子并在結腸癌中發揮著重要的作用。人類結腸癌中最常見的突變基因是RAS基因，RAS和WNT通路可以正向調節KLF5的表達從而提高腫瘤細胞的增殖活性。同時WNT信號通路通過KLF5增強β-catenin的穩定性并促進其核轉位以加速結腸癌的發展進程。KLF5小分子抑制劑ML264可阻滯腫瘤細胞周期并抑制細胞增殖活性[8]，表明KLF5是致癌信號通路中的關鍵轉錄因子。除受上述信號通路調節外，晚期糖基化終產物(Advanced glycation end products,AGEs)也能調控KLF5。AGEs是過量的糖和蛋白質結合的產物，它能促進KLF5的轉錄和核轉位。AGEs促使KLF5在細胞核與致癌基因小鼠雙微體基因(Murine double minute 2,MDM2)結合并上調MDM2的表達，促進結腸癌細胞的增殖[9]。這表明KLF5在結直腸癌中致癌信號通路和AGEs可以調控KLF5發揮促腫瘤的作用。然而Bateman等[10]研究發現KLF5能促進正常腸道細胞增長，在腫瘤中能發揮抗腫瘤的特性。在正常的腸上皮細胞系如IEC-18和IMCE細胞中KLF5上調cyclinD1的表達，促進集落形成。而在結腸癌細胞系中KLF5的表達水平與細胞生長呈負相關，上調KLF5能減少結腸癌細胞的集落數目。例如在結腸癌HCT116b細胞中沉默KLF5可以使細胞增殖加快，但實驗并未深入研究，其具體機制也有待進一步探索[10]。

2.3 KLF5與前列腺癌

前列腺癌中KLF5在染色體13q21區段經常出現雜合性缺失。KLF5的基因表達缺失與腫瘤的發生發展密切相關。與乳腺癌中的情況類似，在前列腺癌中KLF5也能與激素及其受體相互作用。研究顯示雌激素受體ERβ通過與KLF5共激活從而抑制前列腺癌生長。當使用高劑量的雌激素E2處理小鼠，E2能通過ERβ和KLF5途徑抑制前列腺腫瘤生長[11]。上述研究說明KLF5可能在雌激素誘導的抗腫瘤效應中發揮著重要作用。與之相反雄激素受體可通過誘導KLF5表達升高來促進前列腺癌的發展[12]。由此可知KLF5在不同的激素及激素受體作用下能表現出雙重作用。除激素的影響之外，KLF5還受腫瘤壞死因子-α(Tumor necrosis factorα,TNF-α)的調控。敲低KLF5的表達之后發現TNF-α誘導的前列腺癌細胞凋亡明顯減少[13]，表明KLF5能介導TNF-α的促凋亡作用。轉化生長因子-β(Transforming growth factor-β,TGF-β)也能與KLF5相互作用。TGF-β能進入細胞核并募集乙酰化酶P300使KLF5在賴氨酸369(K369)位上發生乙酰化。乙酰化的KLF5穩定性增加并能抑制前列腺癌細胞的生長和增殖。同時，組蛋白去乙酰化酶1/2(Histone deacetylase1/2,HDAC1/2)能促進前列腺癌的增殖。實驗發現HDAC1/2使KLF5去乙酰化，去乙酰化后KLF5穩定性降低并容易被蛋白酶體降解，從而促進前列腺腫瘤細胞增殖[14]。KLF5在前列腺癌中受激素和細胞因子的調控并發揮著不同作用，其作用機制可能與細胞所處的微環境或KLF5的乙酰化狀態有關。

2.4 KLF5與肺癌

KLFs家族中有8個成員與肺癌的發生相關，其中大部分成員表現為抑癌作用，但KLF5在肺癌發生發展中發揮雙重作用。一方面，人補體片斷5a(Human Complement fragment 5a,C5a)能誘導非小細胞肺癌的增殖，在非小細胞肺癌所處的微環境中發現C5a的產生增多，C5a上調KLF5、組蛋白乙酰基轉移酶GCN5(General control of nucleotide synthesis,GCN5)和人生長分化因子15(Growth differentiation factor-15,GDF15)進而影響腫瘤的形成。KLF5直接與GCN5結合形成復合物，這種復合物能結合GDF15的啟動子并使GDF15的表達升高從而促進肺癌的增殖。另一方面，沉默裸鼠中的KLF5基因，異種移植腫瘤的生長被極大地抑制[15]，表明KLF5在介導C5a的促非小細胞肺癌增殖的過程中發揮著不可或缺的作用。KLF5也能通過多種下游靶標影響肺癌的增殖。在缺氧條件下敲低KLF5可以下調周期蛋白cyclinB1和凋亡抑制基因Survivin表達，同時也能上調caspase-3表達進而抑制非小細胞肺癌的活性。上述情況中KLF5多表現為促增殖作用，然而Meyer等[16]在肺癌模型中研究發現，通常情況下KLF5不會促使肺癌增殖。與之前存在RAS突變的結腸癌相比，在無RAS突變的肺癌中，KLF5不受致癌基因RAS的調控。此時KLF5的高表達不會誘導肺癌的惡性增殖，反而在一些藥物的作用環境中上調KLF5的表達能減少多藥耐藥蛋白ABCG2的表達，從而減弱腫瘤細胞的耐藥，增強腫瘤對藥物的敏感性。因此，過表達KLF5能提高非小細胞肺癌患者的生存率。這些研究結果揭示在一些藥物作用的微環境中，KLF5能減少耐藥蛋白的產生，增強藥物的抗腫瘤作用。

2.5 KLF5與腎透明細胞癌

腎透明細胞癌(clear cell renal cell carcinoma,ccRCC)是致命的泌尿系統惡性腫瘤之一。研究發現膽固醇與腫瘤的發生密切相關，在ccRCC中發現膽固醇能以時間依賴的方式上調KLF5的mRNA和蛋白水平。在ccRCC中KLF5直接結合并上調miR-27a的表達，從而促進腫瘤的發展導致腫瘤的不良預后。miR-27a通過與含F框/WD重復域蛋白7(F-box/WD repeat-containing protein 7，FBXW7)的3′UTR結合下調FBXW7的表達，從而抑制KLF5的泛素化降解，這種反饋調節進一步導致KLF5的累積，進而促進ccRCC遷移和侵襲[17]。另一方面KLF5高表達也能改善腫瘤的不良預后，使ccRCC患者的總體存活率顯著提高。DNA高甲基化是腫瘤抑制基因失調的一種常見表現。KLF5基因在ccRCC中多被甲基化修飾所沉默，并在甲基化修飾的微環境中作為腫瘤抑制因子而存在。Fu等[18]發現在ccRCC中使用甲基化抑制劑5-氮雜-2，脫氧胞苷(5-Aza-2，-deoxycytidine,5-Aza-CdR)抑制DNA甲基轉移酶1能恢復KLF5的表達從而抑制腫瘤的形成。同時，體外實驗證實，恢復KLF5的表達可以抑制ccRCC增殖、遷移和侵襲。小鼠體內實驗也驗證KLF5可抑制ccRCC異種移植物的生長和轉移。這些結果均揭示，甲基化導致的腫瘤抑制基因失調可能介導了KLF5的腫瘤抑制作用。而在膽固醇的調控下KLF5卻能發揮促腫瘤的作用。提示KLF5在ccRCC中發揮的具體作用與其所處的微環境以其被調控的因素有關。

2.6 KLF5與其他惡性腫瘤

KLF5不僅在乳腺癌、結直腸癌、前列腺癌等腫瘤中發揮著雙重作用，還與其他腫瘤密切相關并受多種因素調控。多項研究表明，KLF5過表達可以促進腫瘤的形成導致腫瘤惡化。miR-152在多數腫瘤中都被視為一種腫瘤抑制因子。在宮頸癌中，miR-152通過下調KLF5進而調控周期蛋白而發揮腫瘤抑制作用。在肝癌中，腫瘤抑制因子miR-1455-p與KLF5表達水平呈負相關，KLF5過表達能拮抗miR-1455-p的腫瘤抑制作用[19]。提示多種微RNA與KLF5相互作用參與調控腫瘤的形成過程。此外，KLF5通過調節不同的靶蛋白影響腫瘤的發生。KLF5直接靶向腫瘤壞死因子受體超家族成員11a(Tumor necrosis factor receptor superfamily11a,TNFRSF11a)與其啟動子結合促進TNFRSF11a的表達，從而促進宮頸癌細胞增殖、遷移和侵襲并增加宮頸癌患者的死亡風險[20]。在人卵巢腺癌細胞中，KLF5過表達能誘導Survivin基因表達促進腫瘤的發生，KLF5低表達增加順鉑或紫杉醇對腫瘤細胞的抗癌效力。在急性淋巴細胞白血病細胞中，KLF5誘導Survivin表達，或與腫瘤抑制因子p53相互作用進而發揮抗凋亡作用。敲低KLF5后，Survivin表達明顯下調，同時阿霉素的抗腫瘤活性增加，其機制是KLF5與Survivin啟動子結合后與p53相互作用從而發揮腫瘤抑制作用。在甲狀腺癌組織中，KLF5高表達能促進NF-κB的核轉位，進而促進了甲狀腺癌細胞的生長和淋巴結轉移[21]。關于KLF5抑癌的研究都未深入研究，其參與腫瘤的具體作用機制還有待進一步探討。總而言之，KLF5是一個具有多種生理功能的轉錄因子，其與腫瘤的發生發展密不可分。KLF5通過調控多種微RNA和靶蛋白水平，參與腫瘤的發生發展過程。

3 總結與展望

惡性腫瘤能通過改變糖代謝途徑等方式誘導腫瘤細胞對化療藥物的耐藥[22]，因而通過基因治療調控轉錄因子水平或能帶來惡性腫瘤治療的新思路。轉錄因子KLF5與惡性腫瘤的發生發展密切相關，其作用機制復雜，在惡性腫瘤中的作用與細胞的類型或細胞所處的狀態有關，具有腫瘤環境依賴性。在不同的惡性腫瘤組織中藥物、激素、細胞因子和微RNA等上游調控因素能介導KLF5發揮不同的生物學效應。同時KLF5也能通過調控Survivin基因、腫瘤壞死因子、耐藥蛋白和周期蛋白等下游靶點對惡性腫瘤產生截然不同的生理作用。即在不同的惡性腫瘤組織中因KLF5的上下游調控因素的差異而產生促腫瘤或抑腫瘤兩種完全相反的作用。調控KLF5的水平能影響惡性腫瘤的發生發展。因此，KLF5可能將成為惡性腫瘤治療的有效靶標。但是這種能調控KLF5的上游或者下游因子仍需進一步去發掘和證實。總之，調控KLF5水平有望為惡性腫瘤患者提供有效的治療策略。